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1、电磁兼容第六章屏蔽第1页，本讲稿共62页 在空间中的两个区域之间插入一块金属隔板，这方法通常用于控制电在空间中的两个区域之间插入一块金属隔板，这方法通常用于控制电场和磁场从一个区域向另一个区域的传播。场和磁场从一个区域向另一个区域的传播。前前 言言 将噪声源包围起来，可以将电磁场限制在屏蔽体形成的腔体内部。将噪声源包围起来，可以将电磁场限制在屏蔽体形成的腔体内部。这种方法可以为所有的屏蔽体外的敏感型设备提供电磁保护。这种方法可以为所有的屏蔽体外的敏感型设备提供电磁保护。从系统总体角度来看，屏蔽噪声源的效果要好于屏蔽被干扰源的从系统总体角度来看，屏蔽噪声源的效果要好于屏蔽被干扰源的效果。效果。第
2、2页，本讲稿共62页 实际中有些源，本身就是辐射型的（电台、雷达等）。这时需实际中有些源，本身就是辐射型的（电台、雷达等）。这时需要对被干扰对象进行单独屏蔽。要对被干扰对象进行单独屏蔽。无论一个屏蔽体的设计有多好，如果有电磁能量通过潜在的路径穿透或无论一个屏蔽体的设计有多好，如果有电磁能量通过潜在的路径穿透或离开屏蔽体，屏蔽体就没有任何实用价值。离开屏蔽体，屏蔽体就没有任何实用价值。电缆能够在屏蔽体的一侧拾取噪声，将噪声传入屏蔽体内，并产生二次辐电缆能够在屏蔽体的一侧拾取噪声，将噪声传入屏蔽体内，并产生二次辐射。为了保证屏蔽体的完整性，所有进入屏蔽体的电缆都必须进行滤波处理。射。为了保证屏蔽体
3、的完整性，所有进入屏蔽体的电缆都必须进行滤波处理。此外，穿过屏蔽体的电缆的屏蔽层必须此外，穿过屏蔽体的电缆的屏蔽层必须360连接到屏蔽体上，以避免端接连接到屏蔽体上，以避免端接效应耦合噪声。效应耦合噪声。第3页，本讲稿共62页第一节第一节 近场和远场近场和远场 场的特性取决于源、源周围的介质和源到观察点的距离等因素。场的特性取决于源、源周围的介质和源到观察点的距离等因素。距离源比较近的距离源比较近的点，场的特性由源的特性决定；在距离源比较远的点，场的特性由场传输过程中经过的介点，场的特性由源的特性决定；在距离源比较远的点，场的特性由场传输过程中经过的介质决定。质决定。辐射场空间可以划分为辐射场
4、空间可以划分为2个区域：个区域：到源距离小于到源距离小于/2的区域称的区域称为为近近场场或感或感应场应场；到到源距离大于源距离大于/2的区域称的区域称为远场为远场或或辐辐射射场场。在在/2的区域范的区域范围围内内则则存在一个存在一个过过渡区域。渡区域。第4页，本讲稿共62页 电场电场E和磁场和磁场H的比值我们称为波阻抗。的比值我们称为波阻抗。在近场条件下，在近场条件下，E/H的大小由源的特的大小由源的特性和场到源中的观察点决定；远场条件下，波阻抗性和场到源中的观察点决定；远场条件下，波阻抗E/H的大小等于介质的特性阻抗（空的大小等于介质的特性阻抗（空气中波阻抗等于气中波阻抗等于377）在近场区
5、域，由于电场和磁强的强度比不是一个常数，所以电场和磁场应当分别进行在近场区域，由于电场和磁强的强度比不是一个常数，所以电场和磁场应当分别进行考虑；如果源具有大电流、低电压特性，近场主要是磁场；如果源具有高电压、小电流考虑；如果源具有大电流、低电压特性，近场主要是磁场；如果源具有高电压、小电流特性，近场主要是电场。在远场区域，电场和磁场合成平面波，波阻抗大小为特性，近场主要是电场。在远场区域，电场和磁场合成平面波，波阻抗大小为377。第5页，本讲稿共62页 确定波阻抗需要使用的介质物理常数：确定波阻抗需要使用的介质物理常数：第二节第二节 波波 阻阻 抗抗自由空间磁导率自由空间磁导率 ：410-7
6、 H/m自由空间介电常数自由空间介电常数：8.8510-12 H/m介质电导率（铜）介质电导率（铜）：8.8510-12 H/m波阻抗定义：波阻抗定义：介质的特征阻抗：介质的特征阻抗：如果是远场平面波，介质的特征阻抗如果是远场平面波，介质的特征阻抗Z0等于波阻抗等于波阻抗ZW。对。对于绝缘体于绝缘体(jj),),介质的特征阻抗也介质的特征阻抗也成为屏蔽阻抗。成为屏蔽阻抗。所有导体的所有导体的特征阻抗都可以表示为：特征阻抗都可以表示为：铜导体：铜导体：铝导体：铝导体：钢导体：钢导体：第7页，本讲稿共62页 一般采用两种方法来确定屏蔽效能：一种是应用电路理论；另一种是应一般采用两种方法来确定屏蔽效
7、能：一种是应用电路理论；另一种是应用场的理论。用场的理论。根据电路理论，噪声场会在屏蔽体上产生感应电流，反过来根据电路理论，噪声场会在屏蔽体上产生感应电流，反过来这个电流会产生另外一个与原来场方向相反的场与原来的场相互抵消。这个电流会产生另外一个与原来场方向相反的场与原来的场相互抵消。第三节第三节 屏屏 蔽蔽 效效 能能第8页，本讲稿共62页 实际中更多采用场理论的方法，来分析屏蔽效能。我们可以使用屏蔽体使电场强度实际中更多采用场理论的方法，来分析屏蔽效能。我们可以使用屏蔽体使电场强度或磁场强度削弱的程度来表示屏蔽效能。或磁场强度削弱的程度来表示屏蔽效能。采用电场定义的屏蔽效能为：采用电场定义
8、的屏蔽效能为：采用磁场定义的屏蔽效能为：采用磁场定义的屏蔽效能为：式中：式中：E0(H0)为入射电磁波场强；为入射电磁波场强；E1(H1)是穿过屏蔽体的场强。是穿过屏蔽体的场强。在进行屏蔽设计时，有两个问题需要重点考虑：在进行屏蔽设计时，有两个问题需要重点考虑：1、屏蔽材料本身的屏蔽效能；、屏蔽材料本身的屏蔽效能；2、屏蔽体上有开孔或其他不连续性时的屏蔽效能。屏蔽体上有开孔或其他不连续性时的屏蔽效能。一个完整的，没有缝隙或开孔的屏蔽体的屏蔽效能是唯一确定的，而实际上往往是一个完整的，没有缝隙或开孔的屏蔽体的屏蔽效能是唯一确定的，而实际上往往是开孔的屏蔽效能开孔的屏蔽效能决定了一个决定了一个屏蔽
9、的总体屏蔽效能屏蔽的总体屏蔽效能，而不是屏蔽材料的本征屏蔽，而不是屏蔽材料的本征屏蔽效能。屏蔽效能的大小随着频率、屏蔽体的几何结构、被测场在屏蔽体中的效能。屏蔽效能的大小随着频率、屏蔽体的几何结构、被测场在屏蔽体中的位置、被衰减场的类型、电磁波的入射方向和电磁波的极化方向等因素的变位置、被衰减场的类型、电磁波的入射方向和电磁波的极化方向等因素的变化而变化。化而变化。第9页，本讲稿共62页 电磁波入射到金属表面是会产生两种类型的损耗：电磁波入射到金属表面是会产生两种类型的损耗：金属表面能够金属表面能够反射部分电磁波，这种损耗称为反射部分电磁波，这种损耗称为反射损耗反射损耗；进入金属的电磁波在穿；
10、进入金属的电磁波在穿过介质时会被衰减，这种损耗通常称为过介质时会被衰减，这种损耗通常称为吸收损耗吸收损耗。无论是近场、远场无论是近场、远场还是电场或磁场，都会产生吸收损耗。而反射损耗则取决于波阻抗的类还是电场或磁场，都会产生吸收损耗。而反射损耗则取决于波阻抗的类型。型。任何一种导体材料的总屏蔽效能等于：任何一种导体材料的总屏蔽效能等于：吸收损耗吸收损耗(A)加上加上反射损反射损耗耗(R)以及以及薄屏蔽体中多次反射的校正因数薄屏蔽体中多次反射的校正因数(B)。如果吸收损耗大于如果吸收损耗大于9dB，那么多次反射因数，那么多次反射因数B可以忽略不计。可以忽略不计。从实际工程实践结果来看，对于电场和
11、平面波，校正因数从实际工程实践结果来看，对于电场和平面波，校正因数B也也可以忽略不计。可以忽略不计。第10页，本讲稿共62页 电磁波穿过介质传播时，呈指数下降。产生这种衰减的原因是入射电磁波穿过介质传播时，呈指数下降。产生这种衰减的原因是入射电磁波在介质中产生的感应电流导致欧姆损耗。穿过介质的电磁波场电磁波在介质中产生的感应电流导致欧姆损耗。穿过介质的电磁波场强可以表示为：强可以表示为：第四节第四节 吸收损耗和反射损耗吸收损耗和反射损耗 一、吸收损耗一、吸收损耗 式中：式中：E1(H1)是介质内距离是介质内距离t处的电磁波场强；处的电磁波场强；为集肤深度。我为集肤深度。我们将电磁波场强衰减到入
12、射电磁波初值的们将电磁波场强衰减到入射电磁波初值的1/e或或37%时所经过的距离时所经过的距离称为集肤深度。称为集肤深度。第11页，本讲稿共62页第12页，本讲稿共62页 为了得到理想的各种介质材料的典型集肤深度值，我们可以用相对电导为了得到理想的各种介质材料的典型集肤深度值，我们可以用相对电导率和磁导率来化减集肤厚度公式。以英寸为单位可有：率和磁导率来化减集肤厚度公式。以英寸为单位可有：我们将屏蔽体的吸收损耗，用分贝表示为形式，可得：我们将屏蔽体的吸收损耗，用分贝表示为形式，可得：由此我们可以看出：厚度等于一个集肤厚度的屏蔽体的吸收损由此我们可以看出：厚度等于一个集肤厚度的屏蔽体的吸收损耗约
13、为：耗约为：9dB，如果屏蔽体的厚度增加一倍，那么吸收损耗也会增，如果屏蔽体的厚度增加一倍，那么吸收损耗也会增加一倍。加一倍。第13页，本讲稿共62页 图中的结果适用于平面波、电场和磁场。图中的结果适用于平面波、电场和磁场。第14页，本讲稿共62页 我们将前面的集肤厚度公式，带入吸收损耗的我们将前面的集肤厚度公式，带入吸收损耗的dB表达式中可以获得吸收表达式中可以获得吸收损耗和屏蔽体厚度的关系式。损耗和屏蔽体厚度的关系式。第15页，本讲稿共62页第16页，本讲稿共62页二、反射损耗二、反射损耗 电磁波从一种介质进入另一种介质会产生反射，反射损耗的大电磁波从一种介质进入另一种介质会产生反射，反射
14、损耗的大小与这两种介质的特性阻抗之差相关。小与这两种介质的特性阻抗之差相关。电磁波从一特性阻抗为电磁波从一特性阻抗为Z1的介质的介质传播到另一个特性阻抗为传播到另一个特性阻抗为Z2的介质的介质时，透射电磁波的强度可以表时，透射电磁波的强度可以表示为：示为：第17页，本讲稿共62页 同样，当电磁波从屏蔽体射出时，将会再次产生反射。反射损耗同样，当电磁波从屏蔽体射出时，将会再次产生反射。反射损耗也同样取决于两种介质的特性阻抗之差。也同样取决于两种介质的特性阻抗之差。穿过屏蔽体的电磁波可以穿过屏蔽体的电磁波可以表示为：表示为：第18页，本讲稿共62页 如果屏蔽体的厚度大于集肤厚度，综合以上两种情况我
15、们可以得到总透射电磁如果屏蔽体的厚度大于集肤厚度，综合以上两种情况我们可以得到总透射电磁波的强度波的强度。这这里我里我们暂时们暂时忽略忽略电电磁波的吸收磁波的吸收损损耗。耗。如果屏蔽体是金属材料，并且周围充满如果屏蔽体是金属材料，并且周围充满绝缘介质绝缘介质，那么就有，那么就有Z1Z2成立成立。在。在这这种条件下，种条件下，电电磁波磁波进进入屏蔽体入屏蔽体时时，电场产电场产生最大的反射生最大的反射；同；同样样，当，当电电磁波离开屏磁波离开屏蔽体蔽体时时，磁，磁场产场产生最小的透射生最小的透射。由于在第一个界面上。由于在第一个界面上产产生最大的生最大的电场电场反射，所以即使是很薄反射，所以即使是
16、很薄的屏蔽材料也能的屏蔽材料也能够够提供很大的反射提供很大的反射损损耗。因此当耗。因此当Z1Z2时时，穿，穿过过屏蔽体的屏蔽体的电电磁波可以磁波可以表示表示为为：第19页，本讲稿共62页 假若用波阻抗假若用波阻抗ZW代替代替Z1，屏蔽阻抗，屏蔽阻抗ZS代替代替Z2，并忽略多次反射损耗，并忽略多次反射损耗，那么无论是电场还是磁场，其反射损耗都可以表示为：那么无论是电场还是磁场，其反射损耗都可以表示为：式中：式中：ZW为进入屏蔽体前的波阻抗；为进入屏蔽体前的波阻抗；ZS为屏蔽体的阻抗。为屏蔽体的阻抗。以上我们得出的反射损耗公式，只适用于在法线方向上到达屏蔽体界面的以上我们得出的反射损耗公式，只适用
17、于在法线方向上到达屏蔽体界面的电磁波。电磁波。如果电磁波不是在法线方向到达屏蔽面，那么反射损耗将会随着入如果电磁波不是在法线方向到达屏蔽面，那么反射损耗将会随着入射角度的增加而增大。由于任何电磁波都可以分解为若干个平面波来表示，射角度的增加而增大。由于任何电磁波都可以分解为若干个平面波来表示，所以这个结果同样也适合于平面波以外的其它类型的电磁波，而且这个结果所以这个结果同样也适合于平面波以外的其它类型的电磁波，而且这个结果也适用于曲线型界面，但是需要满足界面的曲率半径远大于集肤厚度的条件。也适用于曲线型界面，但是需要满足界面的曲率半径远大于集肤厚度的条件。第20页，本讲稿共62页三、平面波的反
18、射损耗三、平面波的反射损耗 如果电磁波是远场平面波，那么波阻抗如果电磁波是远场平面波，那么波阻抗ZW等于自由空间的特性阻抗等于自由空间的特性阻抗Z0=377，所以电磁波的反射损耗可以表示为：，所以电磁波的反射损耗可以表示为：可以看出：可以看出：屏蔽体阻抗越小，平面电磁波的反射损耗越大。屏蔽体阻抗越小，平面电磁波的反射损耗越大。我们将我们将前面得出的导体特性阻抗的公式带入，可以得到金属屏蔽体的反射损前面得出的导体特性阻抗的公式带入，可以得到金属屏蔽体的反射损耗表达式：耗表达式：第21页，本讲稿共62页钢材、铜材和铝材对平面波的反射损耗钢材、铜材和铝材对平面波的反射损耗屏蔽体的导电性越好对平面波的
19、反射损耗越大。屏蔽体的导电性越好对平面波的反射损耗越大。第22页，本讲稿共62页四、近场反射损耗四、近场反射损耗 在近场的条件下，电场与磁场比值的大小不再取决于介质的特性。电场与在近场的条件下，电场与磁场比值的大小不再取决于介质的特性。电场与磁场的比值更多的地依赖于磁场的比值更多的地依赖于“源源”的特性。如果的特性。如果“源源”的特性是高电压、低的特性是高电压、低电流的，那么波阻抗就大于电流的，那么波阻抗就大于377，近，近场为场为高阻抗高阻抗场场（电场电场）；如果）；如果“源源”是是低低电压电压、大、大电电流的，那么波阻抗就小于流的，那么波阻抗就小于377，近，近场为场为低阻抗低阻抗场场（磁
20、（磁场场）。）。由于由于反射损耗是波阻抗与屏蔽阻抗的比值的函数反射损耗是波阻抗与屏蔽阻抗的比值的函数，所以反射损，所以反射损耗的大小随着波阻抗的变化而变化。因此，高阻抗场（电场）的反耗的大小随着波阻抗的变化而变化。因此，高阻抗场（电场）的反射损耗大于平面波；低阻抗场（磁场）的反射损耗小于平面波。射损耗大于平面波；低阻抗场（磁场）的反射损耗小于平面波。第23页，本讲稿共62页铜材的反射损耗与频率、到铜材的反射损耗与频率、到“源源”的距离和电磁波类型的关系的距离和电磁波类型的关系 电场的反射损耗随着频率电场的反射损耗随着频率的增加而减小，直到与源的的增加而减小，直到与源的距离接近距离接近/2，超，
21、超过这过这个点个点之后，它的反射之后，它的反射损损耗和平面波耗和平面波的反射的反射损损耗曲耗曲线线一致；而磁一致；而磁场场的反射的反射损损耗随着耗随着频频率的增加而率的增加而增大，直到与源的距离接近增大，直到与源的距离接近/2，随后它的反射，随后它的反射损损耗以耗以和平面波反射和平面波反射损损耗相同的速率耗相同的速率衰减。衰减。在源与屏蔽体距离一定的在源与屏蔽体距离一定的条件下，电场、磁场和平面条件下，电场、磁场和平面波的波的3种损耗曲线必然在某种损耗曲线必然在某一点重合，这个点的频率等一点重合，这个点的频率等于于/2。如果源于屏蔽体的距。如果源于屏蔽体的距离离为为30m则电场则电场与磁与磁场
22、场的的损损耗耗曲曲线线在在频频率率为为1.6MHz的点重的点重合。合。第24页，本讲稿共62页 点电场源的波阻抗在点电场源的波阻抗在r/2的条件下，可以表示为：的条件下，可以表示为：五、电场的反射损耗五、电场的反射损耗 式中：式中：r为屏蔽体到源的距离，单位：为屏蔽体到源的距离，单位：m；为为介介电电常数。常数。将它带入前面的反射损耗公式，可得：将它带入前面的反射损耗公式，可得：自由空间中：自由空间中：将导体的波阻抗公式带入，可得：将导体的波阻抗公式带入，可得：第25页，本讲稿共62页 对于实际的电场源，除了产生电场之外，还会产生一小部分磁场分对于实际的电场源，除了产生电场之外，还会产生一小部
23、分磁场分量，所以屏蔽体对这种场源的反射损耗就介于电场损耗曲线和平面波量，所以屏蔽体对这种场源的反射损耗就介于电场损耗曲线和平面波损耗曲线之间。损耗曲线之间。六、磁场的反射损耗六、磁场的反射损耗 点电场源的波阻抗在点电场源的波阻抗在rZ2，但是实际上，但是实际上这个条件已经不成立了。当这个条件已经不成立了。当R=0时，上面公式的误差为时，上面公式的误差为3.8dB。将导体的波阻抗公式带入，可得：将导体的波阻抗公式带入，可得：七、反射损耗通用计算公式七、反射损耗通用计算公式 通过上面分析，我们可以归纳出一个通用的反射损耗计算公式：通过上面分析，我们可以归纳出一个通用的反射损耗计算公式：第27页，本
24、讲稿共62页 如果屏蔽体的厚度比较薄，那么来自第二个界面的反射波就会在第一如果屏蔽体的厚度比较薄，那么来自第二个界面的反射波就会在第一个界面上再次反射。这样电磁波就反复在第一个边界和第二个边界之间个界面上再次反射。这样电磁波就反复在第一个边界和第二个边界之间形成多次反射。并且每次反射时都会有部分电磁波穿过屏蔽体。形成多次反射。并且每次反射时都会有部分电磁波穿过屏蔽体。八、薄屏蔽体的多次反射八、薄屏蔽体的多次反射 就电场而言，大部分入射波在就电场而言，大部分入射波在第一个边界上被反射，仅有一小部第一个边界上被反射，仅有一小部分进入屏蔽体内，所以电磁波的电分进入屏蔽体内，所以电磁波的电场大小可以忽
25、略不计。场大小可以忽略不计。而对于磁场来说，大部分入射而对于磁场来说，大部分入射波在第一个界面进入到屏蔽体内，波在第一个界面进入到屏蔽体内，仅有一小部分被反射。实际上，透仅有一小部分被反射。实际上，透射波的大小相当于反射波的射波的大小相当于反射波的2倍，倍，如此大的磁场在屏蔽体内多次反射如此大的磁场在屏蔽体内多次反射就必须要考虑这种效应。就必须要考虑这种效应。第28页，本讲稿共62页 厚度为厚度为t，集肤深度为，集肤深度为的薄屏蔽体的多次反射校正因数的薄屏蔽体的多次反射校正因数,可以可以用下面的公式表示：用下面的公式表示：从图中可以看出：校正因数从图中可以看出：校正因数B是负值，这表明因为薄屏
26、蔽体的是负值，这表明因为薄屏蔽体的多次反射实际屏蔽体的效能会有所降低。多次反射实际屏蔽体的效能会有所降低。第29页，本讲稿共62页 1、平面波、平面波 在远场条件下，平面波的总屏蔽损耗等于吸收损耗与反射在远场条件下，平面波的总屏蔽损耗等于吸收损耗与反射损耗之和。对于平面波来说，反射损耗很高而校正项很小。损耗之和。对于平面波来说，反射损耗很高而校正项很小。九、吸收损耗和反射损耗的合成九、吸收损耗和反射损耗的合成 铜板的反射损耗随着频铜板的反射损耗随着频率的增大而减小；吸收损率的增大而减小；吸收损耗随着频率的增加而增大，耗随着频率的增加而增大，这完全是集肤深度减小的这完全是集肤深度减小的原因。原因
27、。最小的屏蔽效能点的最小的屏蔽效能点的频率在曲线的中间区域，频率在曲线的中间区域，很明显对于低频平面波，很明显对于低频平面波，反射损耗在衰减的大部分；反射损耗在衰减的大部分；对于高频平面波，衰减则对于高频平面波，衰减则大部分来自于吸收损耗。大部分来自于吸收损耗。第30页，本讲稿共62页 2、电场、电场 电场的反射损耗很高，所以校正项很小可以忽略不计。在低频的电场的反射损耗很高，所以校正项很小可以忽略不计。在低频的条件下，电场的屏蔽损耗主要取决于反射损耗部分；高频条件下，吸条件下，电场的屏蔽损耗主要取决于反射损耗部分；高频条件下，吸收损耗是电场屏蔽的主要机理。收损耗是电场屏蔽的主要机理。3、磁场
28、、磁场 如果屏蔽体足够厚，那么磁场的多次反射校正项很小可以忽略不计；如果屏蔽体足够厚，那么磁场的多次反射校正项很小可以忽略不计；如果屏蔽体比较薄，就必须要考虑多次反射校正因数。如果屏蔽体比较薄，就必须要考虑多次反射校正因数。在近场条件下，由于低频磁场的反射损耗非常小，所以多次反射尤其在近场条件下，由于低频磁场的反射损耗非常小，所以多次反射尤其显著。我们知道磁场的主要损耗是吸收损耗。低频时显著。我们知道磁场的主要损耗是吸收损耗。低频时，磁场的吸收损耗，磁场的吸收损耗和发射损耗都很低，所以屏蔽低频磁场的难度非常大。如果能够提供一和发射损耗都很低，所以屏蔽低频磁场的难度非常大。如果能够提供一个低磁阻
29、短路路径，使被保护电路周围的磁场转向，那么就可以为低频个低磁阻短路路径，使被保护电路周围的磁场转向，那么就可以为低频磁场提供防护。磁场提供防护。第31页，本讲稿共62页第32页，本讲稿共62页十、屏蔽效能综述十、屏蔽效能综述 从图中可以看出：除了低频磁场之外，铝的屏蔽效能相当高。在高频条件下（大从图中可以看出：除了低频磁场之外，铝的屏蔽效能相当高。在高频条件下（大于于10MHz），吸收损耗占优势，对于多数屏蔽应用任何足够厚的完整屏蔽体都能够足），吸收损耗占优势，对于多数屏蔽应用任何足够厚的完整屏蔽体都能够足够的屏蔽效能够的屏蔽效能。第33页，本讲稿共62页十一、磁性材料的屏蔽十一、磁性材料的屏
30、蔽 通常随着磁性材料的磁率导的增大，电导率都会减小。这会产生两种效应：通常随着磁性材料的磁率导的增大，电导率都会减小。这会产生两种效应：1、对于大多数磁性材料，低频时磁导率增加的程度比电导率减小的要大，所以、对于大多数磁性材料，低频时磁导率增加的程度比电导率减小的要大，所以总体的吸收损耗增大。总体的吸收损耗增大。2、反射损耗减小。、反射损耗减小。电磁波穿过屏蔽体产生的总能量损耗，等于吸收损耗与反射损耗的相加。对于电磁波穿过屏蔽体产生的总能量损耗，等于吸收损耗与反射损耗的相加。对于低频磁低频磁场，反射损耗非常小，吸收损耗是主要的屏蔽的机理场，反射损耗非常小，吸收损耗是主要的屏蔽的机理，所以这种种
31、情况下，就必须使，所以这种种情况下，就必须使用磁性材料提高吸收损耗。如果是用磁性材料提高吸收损耗。如果是低频电场或平面波，屏蔽机理是反射损耗低频电场或平面波，屏蔽机理是反射损耗，所以这个时候，所以这个时候使用磁性材料反而会导致屏蔽效能下降。使用磁性材料反而会导致屏蔽效能下降。使用磁性材料做屏蔽，必须要注意磁性屏蔽材料的使用磁性材料做屏蔽，必须要注意磁性屏蔽材料的3个特点：个特点：1、磁性材料的磁导率随着频率的增大而减小；、磁性材料的磁导率随着频率的增大而减小；2、磁性材料的磁导率和场强有关；、磁性材料的磁导率和场强有关；3、对高磁导率材料进行加工可能导致材料的特性发生变化。、对高磁导率材料进行
32、加工可能导致材料的特性发生变化。第34页，本讲稿共62页 大多数磁性材料的资料中提供的都是静态磁导率（直流磁导率），有电磁场理论可知，大多数磁性材料的资料中提供的都是静态磁导率（直流磁导率），有电磁场理论可知，随着频率的增大，磁性材料的磁导率会减小；通常磁导率越大随着频率的增加磁导率下降随着频率的增大，磁性材料的磁导率会减小；通常磁导率越大随着频率的增加磁导率下降的越快。的越快。第35页，本讲稿共62页第36页，本讲稿共62页 磁性材料的磁导率随着磁场强度大小而变化。磁性材料的磁导率随着磁场强度大小而变化。一般情况下材料的磁导率越大，它的饱和场强越小。大多数磁性材料说明书中的一般情况下材料的磁
33、导率越大，它的饱和场强越小。大多数磁性材料说明书中的最大导磁率都是在最佳的磁场强度下测出的结果。最大导磁率都是在最佳的磁场强度下测出的结果。第37页，本讲稿共62页 为了克服磁通饱和问题，可以采用多层磁屏蔽技术为了克服磁通饱和问题，可以采用多层磁屏蔽技术 第一层采用低导磁率高导电性屏蔽材料；第二层采用低饱和磁通高导磁率材料。第一层采用低导磁率高导电性屏蔽材料；第二层采用低饱和磁通高导磁率材料。在一些要求比较严格的场合，还可以增加屏蔽层的数量获得更大的衰减。在一些要求比较严格的场合，还可以增加屏蔽层的数量获得更大的衰减。对磁性材料进行加工时，会使材料的磁性能下降，所以在加工磁性材料是应对磁性材料
34、进行加工时，会使材料的磁性能下降，所以在加工磁性材料是应当进行退火处理。当进行退火处理。第38页，本讲稿共62页十二、磁场衰减的实验数据十二、磁场衰减的实验数据 金属板材近场屏蔽效能实验结果：金属板材近场屏蔽效能实验结果：第39页，本讲稿共62页 非磁性板材近场屏蔽效能实验结果：非磁性板材近场屏蔽效能实验结果：非磁性屏蔽材料的磁场屏蔽效随着频率的增加而增大，所以屏蔽效能的测量应当在最非磁性屏蔽材料的磁场屏蔽效随着频率的增加而增大，所以屏蔽效能的测量应当在最低的频率上进行。磁性材料则因为在频率增大时磁导率下降，导致屏蔽效能随着频率的增低的频率上进行。磁性材料则因为在频率增大时磁导率下降，导致屏蔽
35、效能随着频率的增加而降低。加而降低。第40页，本讲稿共62页 我们前面研究的屏蔽体都是完整的，没有开孔和缝隙。除了低频磁场的屏蔽我们前面研究的屏蔽体都是完整的，没有开孔和缝隙。除了低频磁场的屏蔽之外，这些屏蔽体都能提供之外，这些屏蔽体都能提供90dB以上的屏蔽效能。但实际上屏蔽体一般都是不完以上的屏蔽效能。但实际上屏蔽体一般都是不完整、不连续的，这将导致屏蔽体的屏蔽效能的降低。实际设计的时候，我们并不整、不连续的，这将导致屏蔽体的屏蔽效能的降低。实际设计的时候，我们并不特别关注屏蔽材料的本征屏蔽效能，而是要重点考虑屏蔽体的缝隙和开孔所产生特别关注屏蔽材料的本征屏蔽效能，而是要重点考虑屏蔽体的缝
36、隙和开孔所产生的电磁场泄漏。的电磁场泄漏。第五节第五节 屏蔽工艺屏蔽工艺 通常，屏蔽的不连续性对磁场泄漏的影响大于对电场泄漏的影响，因此在设计中要特通常，屏蔽的不连续性对磁场泄漏的影响大于对电场泄漏的影响，因此在设计中要特别强调减小磁场泄漏的方法。多数应用中，减小电场泄漏使用与磁场泄漏的方法就足够了。别强调减小磁场泄漏的方法。多数应用中，减小电场泄漏使用与磁场泄漏的方法就足够了。总体来说，屏蔽体不连续产生的电磁场泄漏的程度主要取决于三个因数：总体来说，屏蔽体不连续产生的电磁场泄漏的程度主要取决于三个因数：1、开孔的最大线性长度；、开孔的最大线性长度；2、波阻抗；、波阻抗；3、“源源”的频率；的
37、频率；一、开孔一、开孔第41页，本讲稿共62页 导体产生屏蔽的基本原理在于，电磁场在屏蔽体内产生了感应电流导体产生屏蔽的基本原理在于，电磁场在屏蔽体内产生了感应电流，感生，感生电流产生的场能够在空间区域内与原来场的能量相互抵消。屏蔽体的不连续性迫使感生电流电流产生的场能够在空间区域内与原来场的能量相互抵消。屏蔽体的不连续性迫使感生电流流经另外一个不同的路径，屏蔽效能就会下降，流经另外一个不同的路径，屏蔽效能就会下降，电流流经的路径越长，屏蔽效能下降电流流经的路径越长，屏蔽效能下降的越多。的越多。第42页，本讲稿共62页 屏蔽体上的缝隙，不仅会使屏蔽效能降低，而且还有可能形屏蔽体上的缝隙，不仅会
38、使屏蔽效能降低，而且还有可能形成缝隙天线，如果缝隙的长度大于成缝隙天线，如果缝隙的长度大于1/100波长，产生的电磁能量波长，产生的电磁能量泄漏也是非常可观的。缝隙和结合部常常能形成发射效率很高泄漏也是非常可观的。缝隙和结合部常常能形成发射效率很高的天线，如果这些天线的长度等于的天线，如果这些天线的长度等于1/2波长，则产生的辐射最大。波长，则产生的辐射最大。长度不大于长度不大于1/2缝隙天线的屏蔽效能可以表示为：缝隙天线的屏蔽效能可以表示为：式中：式中：为为波波长长；l为缝为缝隙的最大隙的最大长长度。度。这说明：当缝隙的长度等于这说明：当缝隙的长度等于1/2波长时，屏蔽效能等于波长时，屏蔽效
39、能等于0，随，随着缝隙天线长度的减小，屏蔽效能以着缝隙天线长度的减小，屏蔽效能以20dB/10倍的速率增大；缝倍的速率增大；缝隙天线的长度每减小半，屏蔽效能增加隙天线的长度每减小半，屏蔽效能增加6dB。在进行屏蔽体设计。在进行屏蔽体设计时，要避免缝隙的长度大于时，要避免缝隙的长度大于1/20波长（此时，屏蔽效能为波长（此时，屏蔽效能为20dB）。）。第43页，本讲稿共62页第44页，本讲稿共62页第45页，本讲稿共62页二、多孔效应二、多孔效应 如果屏蔽体上的开孔不止一个，屏蔽效能减小的程度取决于三个因如果屏蔽体上的开孔不止一个，屏蔽效能减小的程度取决于三个因数：数：1、开孔之间的距离、开孔之
40、间的距离2、频率、频率3、开孔的数量、开孔的数量 如果同一尺寸的开孔相距很近（间距小于如果同一尺寸的开孔相距很近（间距小于1/2波长），受多孔效波长），受多孔效应影响的屏蔽效能可以表示为：应影响的屏蔽效能可以表示为：或或 在屏蔽体的不同表面上开孔不会进一步降低系统的屏蔽效能，因为在屏蔽体的不同表面上开孔不会进一步降低系统的屏蔽效能，因为这些孔所产生的辐射散布在不同的方向上。所以，将开孔分散在不同这些孔所产生的辐射散布在不同的方向上。所以，将开孔分散在不同的表面上，能够有效地减小任何方向上的辐射发射。的表面上，能够有效地减小任何方向上的辐射发射。第46页，本讲稿共62页三、接缝三、接缝 接缝是指
41、一个长的窄缝隙，并且沿着接缝长度方向上的不同点被用于连接。接缝是指一个长的窄缝隙，并且沿着接缝长度方向上的不同点被用于连接。接缝可以看作是多缝隙的集合（或阵列）。接缝可以看作是多缝隙的集合（或阵列）。接缝阻抗包括阻性分量和容性分量，两个分量为并联关系。接缝阻抗包括阻性分量和容性分量，两个分量为并联关系。第47页，本讲稿共62页 由于容性分量的存在，接缝的阻抗随着频率的增大而减小，所以屏蔽效能由于容性分量的存在，接缝的阻抗随着频率的增大而减小，所以屏蔽效能随着频率的增加而增大。缝隙的阻抗与很多因数有关如：随着频率的增加而增大。缝隙的阻抗与很多因数有关如：1、接合处使用的材、接合处使用的材料；料；
42、2、接触压力；、接触压力；3、接触面积。、接触面积。接缝两侧的材料都有应当是导电的，而且多数金属材料都需要进行导电加工。接缝两侧的材料都有应当是导电的，而且多数金属材料都需要进行导电加工。第48页，本讲稿共62页 设计时，沿着接缝的长度，应当确保电接触点的间隔足够小，以获设计时，沿着接缝的长度，应当确保电接触点的间隔足够小，以获得更大的屏蔽效能。良好的电接触可以采用下面的办法：得更大的屏蔽效能。良好的电接触可以采用下面的办法：1、多点紧、多点紧固；固；2、接触凸点；、接触凸点；3、接触指簧；、接触指簧；4、导电衬垫。尽管我们期望能够、导电衬垫。尽管我们期望能够在整个接隙上实现良好的电接触，但除
43、非要求非常高，否这并没有必在整个接隙上实现良好的电接触，但除非要求非常高，否这并没有必要。要。数字电路系统往往会产生很大的高频分量，频率高达数字电路系统往往会产生很大的高频分量，频率高达300MHz-500MHz。为了降低辐射，天线理论要求接触点的间隔不大。为了降低辐射，天线理论要求接触点的间隔不大于于1/20波长，所以通常设计时，规定接触点之间的距离不超过波长，所以通常设计时，规定接触点之间的距离不超过1in-2in。如果有多孔设计，还应当进一步减小间距。如果有多孔设计，还应当进一步减小间距。第49页，本讲稿共62页三、波导与波导的截止频率三、波导与波导的截止频率 如果开孔能够形成一个波导，
44、就可以获得附加的屏蔽衰减，任何一个波导都有一个如果开孔能够形成一个波导，就可以获得附加的屏蔽衰减，任何一个波导都有一个截止频率，在截止频率以下，对于电磁波它都是一个衰减器，其衰减量是波导长度的截止频率，在截止频率以下，对于电磁波它都是一个衰减器，其衰减量是波导长度的函数。函数。圆型波导的截止频率可以表示为：圆型波导的截止频率可以表示为：根据电磁场理论，只要工作频率远小于波导的截止频率，那么根据电磁场理论，只要工作频率远小于波导的截止频率，那么圆型波导的磁场屏蔽效能可以表示为：圆型波导的磁场屏蔽效能可以表示为：矩型波导的截止频率可以表示为：矩型波导的截止频率可以表示为：第50页，本讲稿共62页矩
45、型波导的磁场屏蔽效能可以表示为：矩型波导的磁场屏蔽效能可以表示为：如果波导的长度大于直径的如果波导的长度大于直径的3倍，那么波导的屏蔽效能可以超过倍，那么波导的屏蔽效能可以超过100dB。如果在屏蔽体上。如果在屏蔽体上的开孔直径小于屏蔽体的厚度，那么这个空实际上已经形成了一个波导，这时波导的长度等的开孔直径小于屏蔽体的厚度，那么这个空实际上已经形成了一个波导，这时波导的长度等于屏蔽体的厚度。于屏蔽体的厚度。四、导电衬垫四、导电衬垫 理想的屏蔽体是一个封闭的、连续的导电壳体，没有开孔和接缝。连续焊接理想的屏蔽体是一个封闭的、连续的导电壳体，没有开孔和接缝。连续焊接法和铜焊法形成的连接能提供最大的
46、屏蔽；对于铆钉和螺钉形成的连接则屏蔽效法和铜焊法形成的连接能提供最大的屏蔽；对于铆钉和螺钉形成的连接则屏蔽效果要差一些。如果需要使用螺钉连接，应尽可能地缩短相邻螺钉之间的距离。除果要差一些。如果需要使用螺钉连接，应尽可能地缩短相邻螺钉之间的距离。除此之外还要尽最大可能保证连接处的电连续性，避免形成缝隙天线。此之外还要尽最大可能保证连接处的电连续性，避免形成缝隙天线。在连接处采用导电衬垫是一个很好的选择，若导电衬垫的压缩量符合设计要求，就能获在连接处采用导电衬垫是一个很好的选择，若导电衬垫的压缩量符合设计要求，就能获得连接处的导电连续性，在从几得连接处的导电连续性，在从几KHz到几到几GHz的频
47、率范围内控制电磁能量的泄漏。的频率范围内控制电磁能量的泄漏。第51页，本讲稿共62页 普通的普通的EMI衬垫用金属编织丝网做成，衬垫的类型有带状的，截面通常是矩形或圆形。衬垫用金属编织丝网做成，衬垫的类型有带状的，截面通常是矩形或圆形。选择衬垫材料应当和各类不同的接触表面化学相容，避免出现电化腐蚀。选择衬垫材料应当和各类不同的接触表面化学相容，避免出现电化腐蚀。设计和安装衬垫时，衬垫应当放在开槽中，并且位于螺钉的内侧，以防止螺钉周围产生设计和安装衬垫时，衬垫应当放在开槽中，并且位于螺钉的内侧，以防止螺钉周围产生的电磁泄漏；同时为了保证接缝的导电连性，金属表面不能氧化、不能贴绝缘膜叶不能喷漆。的
48、电磁泄漏；同时为了保证接缝的导电连性，金属表面不能氧化、不能贴绝缘膜叶不能喷漆。第52页，本讲稿共62页 如果既要满足如果既要满足EMI保护又要满足环境保护，可以采用两个独立的衬垫或组合保护又要满足环境保护，可以采用两个独立的衬垫或组合衬垫（导电橡胶）。如果同时安装环境保护衬垫和衬垫（导电橡胶）。如果同时安装环境保护衬垫和EMI衬垫，衬垫，EMI衬垫应当位于衬垫应当位于环境保护衬垫的内侧。环境保护衬垫的内侧。当当EMI衬垫安装在金属板型壳体上时，可以采用以下方法进行。衬垫安装在金属板型壳体上时，可以采用以下方法进行。第53页，本讲稿共62页 冲孔金属板或屏蔽网可以盖在通风孔上，在它们的接触边沿
49、上，材料必须有冲孔金属板或屏蔽网可以盖在通风孔上，在它们的接触边沿上，材料必须有电连续性。屏蔽网的边界与底盘之间必须实现电接触。电连续性。屏蔽网的边界与底盘之间必须实现电接触。导电衬垫可以安装在屏蔽体上的开关或其它控制装置的之间，进入屏蔽体的线缆应当进导电衬垫可以安装在屏蔽体上的开关或其它控制装置的之间，进入屏蔽体的线缆应当进行滤波处理，屏蔽体应当接地。行滤波处理，屏蔽体应当接地。第54页，本讲稿共62页五、导电窗口五、导电窗口 仪表控制面板上较大的开口能够彻底破坏屏蔽体的屏蔽效能，这些开孔通常是显示仪表、仪表控制面板上较大的开口能够彻底破坏屏蔽体的屏蔽效能，这些开孔通常是显示仪表、视频显示器
50、以及数码显示器等。它们屏蔽通常是比较困难的，这类显示需要非常高的透光性，视频显示器以及数码显示器等。它们屏蔽通常是比较困难的，这类显示需要非常高的透光性，所以需要专门设计的特殊导电窗口。所以需要专门设计的特殊导电窗口。常用的导电窗口有两种类型：常用的导电窗口有两种类型：透明导电镀膜；金属丝网屏。透明导电镀膜；金属丝网屏。1、透明导电镀膜、透明导电镀膜 镀膜层的屏蔽效能是表面电阻率的函数（取决于厚度），而光学透明度也和镀膜层镀膜层的屏蔽效能是表面电阻率的函数（取决于厚度），而光学透明度也和镀膜层的厚度有关，所以两者需要折中考虑。典型的镀膜层的电阻率为：的厚度有关，所以两者需要折中考虑。典型的镀膜